導光柱設計指南

1、導光柱設計指南1、何為導光柱導光柱就是將光以最小的損耗從一個光源傳輸?shù)骄嚯x該光源一定距離的另一個點的裝置。光線是依靠全內反射在導光柱內部傳輸?shù)摹Ч庵ǔＪ遣捎霉鈱W材料制成，如：丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂和玻璃。導光柱可以用來將PCB上LED的光傳輸?shù)疆a品面板上來顯示相關的狀態(tài)，也可以聚集和指引光線用做LCD顯示屏的背光，同時也可以用來照亮在透過式窗口上的圖案。(1) 選定合適的導光柱材料原則上盡量選用透光率高的材料，從下表1 可以看出：透明ABS、AS、PC的透光率相當，對遙控距離和角度的影響相差不大，實驗A 的結果也驗證了這一結論。在注塑特性上,AS易粘模，脆性大，如選用此材料，要留意

2、出模角度和頂出位置。目前我公司使用的導光柱大部分為性能較好的PMMA 材料。表一 各種材料的性能對比塑料名稱透光率（%）折射率成型特性ABS(透明)891.52易成型AS（SAN）901.56易粘模，脆性PC901.51易成型PMMA931.49易成型2、導光柱的工作原理及相關理論2.1、光線的反射和折射2.1.1、光的折射定律(菲涅耳定律)光線入射到不同介質的界面上會發(fā)生反射和折射。必然會產生一束反射光線，光線也會在通過這個交界面時產生折射，如圖所示。其中入射光；折射光和法線位于同一個平面上，并且與界面法線的夾角滿足如下關系。光線射入這個交界面的角度叫做入射角i，光線離開交界面的角度叫折射角

3、f。斯涅爾定律：nisini= nfsinf其中：ni 和nf 分別是兩個介質的折射率；i 和f 分別是入射角和折射角。斯涅爾定律規(guī)定:第一種介質的折射率ni乘以入射角i的正弦值，等于第二種介質的折射率nf乘以折射角f的正弦值。2.1.2、光的反射定律光線的入射角i與反射角r相等，折射角f小于入射角i，如圖所示。2.1.3、菲涅耳損耗當光線通過交界面從一種介質進入另一種介質時，光線會因為在交界面上產生反射而產生損耗，如圖所示。這種損耗稱作菲涅耳損耗，可以用下面的公式進行計算：菲涅耳損耗=100×（ni-nf）/（ni+nf） ²當光從空氣進入玻璃或透明塑料（PMMA；PC；

4、AS）時：菲涅耳損耗=100×（1.50-1.00）/（1.50+1.00） ²=4%反之，當光從玻璃或透明塑料（PMMA、PC、AS）進入空氣時,同樣損失4。當光線從折射率低的介質進入折射率高的介質時，折射角f會小于入射角i，相反，折射角f會大于入射角i，如圖所示光線穿過一個表面平行的塑料（玻璃）板。2.2、全反射當光線經(jīng)過兩個不同折射率的介質時，部份的光線會于介質的界面被折射，其余的則被反射。但是，當入射角比臨界角大時（光線遠離法線），光線會停止進入另一介質，會全部向內面反射(見下圖)。發(fā)生全反射的條件：(1)、光從折射率大的介質射入折射率小的介質；例如當光線從玻璃進入

5、空氣時會發(fā)生；(2)、入射角大于臨界角。當折射角等于90°時，入射光將會折射并沿著兩種介質的交界面?zhèn)鞑?，如圖所示。這時sinf(90°) =1.0，因此斯涅爾定律就簡化成ni*sini=nf。這個公式可以用來計算產生完全內反射的臨界入射角c：Sinc=nf/ni空氣的折射率為1.0，所以上式中的nf=1.0，因此只要知道導光柱所采用的介質的折射率就能夠迅速計算出這種介質內產生完全內反射的臨界入射角。對于絕大多數(shù)的塑料和玻璃，它們的折射率約為1.50，因此，對于采用這兩種材質制成的導光柱的完全內反射臨界角約為42°。Sinc=1.0/1.50=0.667導光柱內部與

6、外界空氣的交界面上產生的鏡面反射可以用來幫助在導光柱內傳輸光線。當光線在導光柱內與導光柱表面的入射角達到或大于42°時，將會在導光柱內部完全反射。臨界角小于45°的材料都非常適合用來制作導光柱，因為用這種材料可以制作成45°角反射面的導光柱。光線跟蹤法：光線跟蹤法可以用來分析和跟蹤光線進入、穿過和射出一個導光柱的路徑。斯涅爾定律、菲涅耳損耗和鏡面反射定律可以應用在所有導光柱表面的光線傳播方向的分析上。3、導光柱設計在進行導光柱設計時首先需要考慮3個問題：1)、有效的光通量耦合，以保證LED燈發(fā)射出的光線以最小的損耗進入導光柱內部；2)、如何將光線通過導光柱傳輸?shù)捷?/p>

7、出端；3)、如何讓光線以最小的損耗從輸出端射出；3.1、將LED光線耦合進導光柱內在保證LED射出的光線有效的被傳輸和利用之前，必須首先保證它被有效的耦合進導光柱的進入端，光線應當以最小的損耗被導光柱所捕獲。通常情況下，如果LED在導光柱的外部，并且與導光柱之間有空氣間隙時光線的耦合和捕獲效率是較低的，相反，如果LED處于導光柱表面空氣的交界面內部時，效率是最高的。當LED在導光柱外部時，如圖所示，在這種情況下只有在LED指示燈的光線輻射角與導光柱的光線接收角相匹配的情況下耦合效率才會較高。因此很難做到高效的光耦合，絕大部分LED產生的光都會損失掉。在這樣的結構設計下只有小于10%的光通量能被

8、耦合進導光柱內。在這種情況下如果采用一個凸透鏡將LED輸出的光線進行聚焦后耦合到導光柱內，如圖所示，并且聚焦后的光線剛好與導光柱輸入端相匹配的話，光線捕獲率可以達到80%。但是這樣的設計需要能夠精確控制透鏡與LED和導光柱之間的距離以保證正確的焦距，無疑會增加產品的成本。導光柱最佳最有效的設計就是將LED固定到導光柱的內部，如圖所示。在這種結構中LED是植入導光柱內部的，LED發(fā)出的所有光線全部會被導光柱所捕獲，考慮到LED與導光柱之間存在空氣間隙而產生的菲涅耳損耗，光線捕獲率可以達到92%。如果將LED用光學環(huán)氧膠粘合到導光柱內部，如圖所示，LED與導光柱之間將沒有空氣間隙因此也就沒有菲涅耳

9、損耗，光線捕獲率將會達到100%。在絕大部分導光柱的應用中，這種方法既是不實際的也是不必要的。3.2、導光柱的物理特質：導光柱外表面的光滑是導光柱正常工作的重要保證，如圖所示。圖中是一個從圓形輸入端漸變到方形輸出端的導光柱。導光柱平行于光線傳播方向的側壁應當非常光滑，像鏡子一樣，這樣光線才能夠在其表面產生完全內反射。導光柱的側壁可以涂上白色反光涂料以反射角度小于臨界角的光線，否則這些光線將會從導光柱側壁逃逸到空氣中造成損耗。導光柱的入口應當光滑并與LED外形匹配以保證高效的捕獲LED的光線，保證光線以最小的反射和散射進入導光柱內部。導光柱的出口應當是散射的，一個散射的出口端在其表面具遍布隨機的

10、臨界角以保證光線可以從導光柱內部逃逸出來，同時將光線以極寬的角度散射出去，這樣不論從哪個角度看過去導光柱的出口端都是亮的。導光柱可以制作成任何形狀，圓柱形、方形、錐形（尺寸從入口到出口逐漸增加）或任何特殊形狀（箭頭、星型、半月形等等）對于矩形和特殊形狀的導光柱，其拐角必須是圓角，半徑不小于0.5mm，不能有尖角，以保證拐角處的照明。導光柱的形狀應當沿著其長度逐漸變化，例如從入口處與LED相匹配的圓形到出口處的正方形應當如圖所示逐漸變化。3.3、適應不同種類LED的導光柱入口：導光柱的入口應當光滑并且平坦或者內凹并匹配LED的外形以保證高效的耦合和捕獲光線。對于貼片LED其發(fā)光區(qū)域是平坦的表面，

11、導光柱的輸入端應當做成光滑的與LED表面平行的平面，導光柱輸入端貼近LED以提高光通量耦合效率，如圖所示。導光柱的輸入端需要比LED的發(fā)光面略大以保證捕獲92%的光線。貼片LED的封裝一般是立方體，光線是發(fā)散的，既從頂部射出也從側面射出。只有40%的光是從LED頂部射出的，另外60%的光是從LED側面射出的。因此，對于這種輸入端是平面的導光柱來說只有40%的光可以被導光柱捕獲，其余的光通量就損失掉了。一個具有光滑內凹輸入端的導光柱將有效提高光通量的捕獲率，如圖所示。大約70%-80%的光量可以被導光柱捕獲，光量的損失減小到20%至30%。這種內凹的設計可以應用于任何導光柱與LED的組合以提高光通的耦合率和光線捕獲能力。3.4、導光柱的散射輸出端：散射的輸出端能夠使導光柱內的光線以隨機的角度入射到導光柱與空氣的交界面上，以保證光線在這個面上能夠較容易的逃脫出去。從這個表面逃逸的光線以隨